碎石垫层对碎屑流冲击棚洞的缓冲效应研究

棚洞常用于保护山区道路免受山体滑坡或崩塌而形成的碎屑流的冲击破坏,为了进一步明确缓冲垫层对棚洞的防护作用,通过室内模型实验研究碎屑流对棚洞的冲击机制以及利用碎石作为缓冲垫层的缓冲效应。实验中记录的高速影像显示碎屑流冲击过程中碎石缓冲垫层有明显的变形,测力元件测得冲击力沿法向和切向在棚洞上的分布。实验结果揭示在没有碎石垫层的情况下,棚洞上的最大法向力和切向力分量作用在受冲击侧的拱脚位置,增加碎石垫层后,最大冲击力的值变小,并且最大法向力和切向力分量从受冲击侧的拱脚偏移30°~45°,这表明缓冲层不仅能减小冲击力的大小,还能改变其分布模式。以冲击力作为输入对棚洞运用力法分析其结构内力,发现碎石垫层可以有效减少结构最大弯矩和最大剪力并增加最大轴力,增加了结构的安全性。同时根据冲击过程中能量的变化,发现颗粒粒径较细的碎石垫层耗散冲击能量的效果更好。实验结果充分表明,碎石垫层在碎屑流冲击棚洞时发挥了显著的缓冲和耗能作用。     

基于能量分析的落石对棚洞垫层冲击力学研究

基于能量分析的方法研究了落石对棚洞垫层的冲击力学行为。考虑缓冲垫层弹塑性对落石冲击过程的影响,研究了冲击过程中的成坑变形所需能量、垫层与落石之间相互摩擦所产生的内能以及棚洞自身耗能的影响,根据动能定理得到了冲击深度以及冲击压力的计算表达式;同时将本方法同已有的计算方法进行了对比分析。研究结果表明:用于成坑变形所消耗的能量占总能量比重最大,其值约为总冲击能量的50%;垫层与落石之间由于摩擦所产生的内能占比次之,其值约为30%并且随着冲击能量的增大而下降;棚洞结构自身耗能约占总能量的20%并随着冲击能量的增加而不断减少;在考虑了摩擦耗能以及结构自身耗能的影响之后,对落石冲击压力的计算结果同半理论半经验的日本道路公团方法以及基于实验数据的瑞士方法较为接近。     

复合垫层钢棚洞抵抗落石冲击性能研究

工程上常用砂土垫层来缓冲棚洞结构的落石冲击力,但砂土的自重很大,增加了静载作用下结构的内力。由于EPS泡沫材料密度轻、缓冲性能好,本文考虑在砂土垫层中用EPS材料替换部分砂土形成复合垫层,减小落石对棚洞结构的冲击力。基于室外大尺度模型实验,建立了落石冲击作用下EPS复合垫层钢棚洞结构的数值计算模型。不同落石高度下,实验方法获得的测点处的应力时程曲线和数值结果吻合较好,说明了本文建立的数值模型的可靠性。在此基础上利用该数值模型研究了复合垫层对落石冲击的缓冲效果。结果表明：在垫层总厚度不变的前提下,复合垫层的缓冲性能优于砂垫层。EPS厚度越大,棚洞结构受到的冲击力越小,主梁的应力、挠度均减小。但是EPS材料的最大压缩量以及承受的压应力随着EPS厚度增加而增加,这不利于EPS继续承受冲击力。因此,在确保钢棚洞安全的基础上,需要考虑使用EPS材料的经济性,选择最优的EPS厚度。     

基于黏弹性接触的落石冲击混凝土棚洞板力学特性理论研究

混凝土棚洞板是防治落石的主要承灾体，现有研究中多将棚洞板简化为梁或薄板单元，以弹性或弹塑性接触理论为基础开展研究，往往低估棚洞板的抗冲击性能。为此，考虑落石与棚洞板接触过程中的阻尼特点，引入等效黏弹性接触理论，将棚洞板视为正交各向异性板，构建落石冲击棚洞板的力学模型，得到落石冲击棚洞板的动力控制方程，根据落石位移、速度和加速度不同组合初始条件，采用微分方程求解法，推导得到落石冲击棚洞板各特征参量的多种理论解，为验证理论求解的正确性，与数值计算结果进行了对比分析。研究表明：线弹性解只能近似描述落石冲击过程，求解得到的落石各特征参量时程曲线是近似对称的两阶段曲线；而以黏弹性接触模型为基础，速度和加速度组合条件下的落石冲击参量理论解和数值解更相近，能够综合考虑落石冲击棚洞板过程中棚洞板受荷变形以及落石的能量损失，更符合实际工程；落石参数敏感性分析表明，落石最大冲击力、达到最大冲击力的时间以及冲击作用时间和落石质量呈正比，随着落石质量的增大，落石冲击参量显著增加，对棚洞板的损伤更大；对比试验结果以及多种理论计算结果可以得到：所得到的落石冲击力时程规律和试验相接近，而且该理论解给出了直接的函数表...     

三开间单跨柔性棚洞在落石冲击作用下的试验研究

为克服钢筋混凝土结构式棚洞施工难度大,费用高等不足,满足快速抢修抢建要求,提出一种由型钢拱架和金属网组成的柔性棚洞。由于三开间单跨柔性棚洞的传载耗能特点与单开间单跨柔性棚洞存在区别,为此在现有单开间单跨柔性棚洞研究的基础上,提出三开间单跨柔性棚洞的设计方案,制作1∶1试验模型,并进行了25kJ、50kJ、100kJ和250kJ的落石冲击试验。宏观试验现象表明：①当落石能量在100kJ范围内时,柔性棚洞能够成功的对其进行拦截,而不需要对结构进行维护;②当落石能量在250kJ时,柔性棚洞在成功对其进行拦截的情况下,仅需要经过简单的维护即可继续投入使用;③柔性棚洞内的净空满足安全要求。此外,采用应变片、荷载传感器和高速摄像机等对落石冲击过程和柔性棚洞中钢拱架的动力反应进行了测试,综合试验测试数据,对柔性棚洞的变形特点、传载耗能机理和破坏特点进行了分析,指出了柔性棚洞中易发生破坏的薄弱部位,提出了下一步柔性棚洞的改进措施。     

落石冲击荷载作用下EPE垫层棚洞缓冲作用研究

针对目前棚洞结构传统砂垫层自重大、建设成本高等缺点的现状,提出使用EPE(聚乙烯)缓冲材料替换一部分砂土垫层以达到减轻结构自重、提高抗落石冲击性能的目的。采用显式动力计算,基于LS-DYNA动力有限元软件建立数值计算模型,模拟了落石冲击EPE垫层棚洞结构的全过程,以棚洞结构底部钢筋动态应变时程曲线、棚洞T型梁跨中挠度变形等为依据,判断结构的极限承载力,并与传统砂垫层进行了对比,从而揭示了EPE垫层在棚洞结构设计中的耗能减震作用。结果表明:EPE缓冲材料的缓冲性能与抗冲击性能较好,能广泛应用于实际工程;其最优填充厚度为0.6 m,结构承载力是传统砂垫层棚洞结构的1.75倍。     

基于LS-DYNA的EPS垫层棚洞耗能减震分析

以某在建项目为背景,基于LS-DYNA建立了数值计算模型,模拟了落石冲击棚洞结构的全过程,揭示了EPS缓冲材料缓冲耗能作用,结果表明:EPS垫层棚洞较传统砂垫层棚洞抗落石冲击性能有一定提高,能广泛应用于实际工程中。     

落石冲击作用下棚洞垫层动力响应的颗粒级配效应耦合数值模拟研究

落石冲击垫层的动态冲击力与冲击深度是棚洞结构设计的重要依据。级配作为垫层颗粒粒度分布的重要特征，决定了垫层各级粒径颗粒的分配情况，影响了落石冲击垫层的动态过程。为研究颗粒级配对落石冲击垫层动态响应的影响，采用离散元–有限差分耦合方法，其中离散元模拟颗粒垫层，有限差分法模拟棚洞混凝土结构。在垫层平均粒径相等的情况下，开展了落石冲击不同级配垫层的动力响应数值模拟研究，通过对落石冲击力、顶板中心压应力、落石冲击深度的分析，揭示了落石冲击颗粒垫层的动态响应机制。研究结果表明：颗粒间力链的稳定性决定了垫层受冲击后的动态响应特征；颗粒间的摩擦是冲击能量耗散的主要方式，耗能占比达70%～80%；对于单峰型级配，单峰对应的粒径越小，力链长度越长，稳定性越差。峰值粒径d_t=75 mm时的峰值冲击力为d_t=25 mm的1.9倍，顶板峰值压应力为其3.6倍；对于双峰型级配，双峰的距离越近，颗粒周围约束的数量越少，力链的稳定性越差。非均质系数H_e=0.65时的峰值冲击力比H_e=0.33时的大40%，顶板峰值压应力大30%，...     

新型耗能减震滚石棚洞作用机制研究

 传统滚石棚洞主要是通过结构顶部的砂砾石垫层来耗能抗冲击的,然而实践表明：砂砾石垫层材料不仅缓冲吸能效果有限,且自重荷载较大,建设成本偏高,不利于大面积推广应用。为此,提出一种新型耗能减震棚洞,通过在棚洞支座处增设耗能减震器,在最大限度降低棚洞自重的情况下增大防护结构的系统柔度,达到耗能减震的目的。通过构建非线性质量弹簧体系来模拟滚石冲击下棚洞结构的动力响应,并结合能量原理对新型棚洞的防滚石抗冲击机制进行分析,结果表明耗能减震棚洞能大幅度降低滚石的最大冲击力,并通过耗能减震器的变形来耗散冲击能,大幅度降低棚洞结构的建设成本。     

被动网冲击变形解析解及足尺试验对比研究

针对被动柔性防护网结构的系统缓冲性能,从冲击变形控制机理着手,分析了系统冲击变形的影响因素,设计了优化的缓冲结构体系。分析发现,系统冲击能力主要由网片顶冲变形、支撑绳牵引拉伸、支撑结构变形构成,并展开了被动柔性防护网系统足尺冲击落石试验研究,提取了系统工作条件下各部分冲击变形分量,解析分析结果对比,验证了冲击大变形解析方法的正确性。     

Experimental and numerical investigations on buffer performance of geofoam subjected by the impact of falling rocks with respect to different shapes

Geofoam with good buffer performance and low density is proposed to replace part of the sand, forming a composite cushion to resist rockfall impact. On the other hand, falling rock is usually variable and irregular in shape. In this study, laboratory tests and numerical research are conducted to study the buffer performance of geofoam, as well as the effect of the rock shape. When the rock shape changes from the flat form to the cone form, more time is needed to undergo the impact process and the maximum impact force decreases. Thicker geofoam is advantageous for reducing the impact force. However, the decrease degree is affected by the rock shape. Both the geofoam thickness and the rock shape have an obvious effect on the maximum deformation and the vertical stress in the geofoam. Thicker geofoam can amplify the influence of the rock shape on the stress in the beam. Accordingly, in the design of an effective composite cushion in a rock-shed, the geofoam thickness necessarily requires appropriate determination to meet both the buffer performance and the cushion deformation. Furthermore, the rock shape plays a crucial role in evaluating the buffer performance of the composite cushion.     

Experimental study on the multi-impact resistance of a composite cushion composed of sand and geofoam

In the case of the rockfall hazards, multiple rockfall impacts usually occur. To improve the ductility and the multi-impact resistance ability of the rock-shed, geofoam is proposed to replace part of sand, forming a composite cushion. Two types of geofoam are selected in the paper, namely, expandable polyethylene (EPE) and expanded polystyrene (EPS). A systematic experimental study was conducted to compare the properties of EPE and EPS. The compression tests showed that EPE geofoam had better resilience than EPS geofoam. Under the laboratory multi-impact tests, the buffer performance of the sand-EPE composite cushion performed well under the multi-impacts. However, for the sand-EPS composite cushion, the buffer performance became poor with increased impact number. For the thicker geofoam, the buffer performance of the composite cushion changed slightly from the second impact to the fifth impact, especially for the EPE geofoam. Finally, large-scale rockfall experiments were carried out to further study the buffer performance of different cushions. Compared with EPS geofoam, EPE geofoam was more suitable for improving the capability of the composite cushion to resist multi-impacts, as well as to protect the rock-shed under multiple rockfall impacts.     

裂土挡土墙模型试验缓冲层设置的研究

本文通过挡土墙模型试验，测试到缓冲层的设置可降低裂土夯填造成对挡土墙过大的侧压力及裂土遇水膨胀造成对挡土墙的膨胀土压力。提出了设置缓冲层的合理厚度和配置。     

驳接式玻璃板面外受弯承载性能的有限元分析研究

近年来,驳接式玻璃幕墙在现代建筑中得到了应用和推广。本文在仅考虑玻璃板面外受弯的情况下,通过有限元软件ANSYS作了比较,将模型1（考虑了垫层）和模型2（既考虑垫层又考虑垫层和玻璃板之间的摩擦滑移）进行了比较,并通过改变模型的几何参数讨论各种参数对玻璃板和驳接件承载性能的影响。研究结果表明：玻璃板厚度和驳接件大小对玻璃板的最大应力和挠度影响较大,而驳接件的厚度以及垫层的参数变化对玻璃板的最大应力和挠度影响较小;垫层对玻璃板的应力影响很小而对减小驳接件的内应力效果很显著;本文在定义平均节点转角的基础上,增大垫层厚度和减小垫层的弹性模量均会增大玻璃板的平均节点转角,但实际的节点平均转角很小。有限元与规范中点支式幕墙中玻璃板的设计方法的比较结果表明规范中规定驳接式玻璃板公式的必要性。     

深基坑围护墙与支撑体系相互作用有限元分析

提出了一个分析深基坑围护墙与支撑体系相互作用的新的计算模型,即把整个深基坑周边围护桩结构简化为空间杆系有限元体系,将支撑体系视为子结构,通过子结构凝缩与拼装方法分析围护桩与支撑体系的共同工作.该方法能够分析支撑体系的空间效应以及由支撑平面框架连接而产生的桩与桩之间的空间作用,能够分析实际工程中存在的不均匀开挖所带来的对支护结构变形和内力的影响,以及深基坑切向平面内支护结构的变形和内力等.最后,文章给出了一个均匀开挖的算例.     

基于小波变换的碎石土垫层落石冲击回弹系数试验

针对碎石土体,通过模型试验设计：选取下垫面土体为4种土石比的12种密实度、5种落实高度,采用动态应变仪获取的落石冲击力波,经小波消噪处理,提取出最大冲击力;试验获取相应的变形模量和泊松比。根据Hertz碰撞理论,通过冲击过程能量转化的分析,用回弹系数考虑冲击过程中的能量损失,建立了落石最大冲击力公式。在试验的基础上,通过试验值反算各种土石比在不同密实度下回弹系数的均值和最大值。结果表明：回弹系数随垫层密实度的增加而增大;土石比为4∶6的碎石土垫层的回弹系数高于其它3种土石比垫层,在其密实的状况下极大值可达0.314;而土石比为3∶7的碎石土垫层的回弹系数最小,在其疏松状况下极大值为0.266。所获的细化的碎石土垫层回弹系数与已有的结论趋于一致,能较好地为落石运动路径计算和防治工程设计提供科学依据。     

刚性基础下复合地基褥垫层加筋影响研究

为了提高桩土荷载分担比,一些建筑工程桩筏基础下的复合地基采用了加筋垫层,然而加筋垫层复合地基的变形协调与荷载传递的影响还缺乏深入研究。采用自制的二维多活动门试验装置与椭圆钢棒相似土填料,开展了无筋褥垫层随桩间土下沉过程的模型试验,获得了不同垫层厚度下无筋垫层的变形与应力协调特性。在模型试验基础上,采用颗粒离散元DEM数值模拟建立了无筋与加筋垫层数值模型,揭示了有、无加筋条件下的褥垫层工作特性区别,并探讨了褥垫层厚度、桩间净距以及加筋位置等对褥垫层工作特性的影响。结果表明:当加筋高度距桩顶超过100 mm时,桩土应力比曲线和褥垫层变形均接近未加筋的情况; 加筋体设置高度小于100 mm时,下方颗粒垫层的变形协调会受到影响,格栅与下部垫层之间产生脱空现象,从而导致桩土应力比随着桩间土下沉量的增加而出现陡升; 陡升段起点对应的桩间土下沉量随着加筋位置的提高而增加,工程中可能会导致复合地基桩体超过承载力而引起复合地基发生破坏。